1kx: 블록체인 확장의 종착점은 신뢰 최소화와 수평 확장입니다

작성자: weidai.eth

편집: Luffy, Foresight News

이더리움은 허가 없이 사용할 수 있는 세계 컴퓨터로, 본 문서를 작성할 당시 가장 높은 경제적 안전성을 보유하고 있으며, 많은 자산, 애플리케이션 및 서비스의 결제 원장 역할을 하고 있습니다. 이더리움은 또한 한계가 있습니다: 블록 공간은 이더리움 메인넷에서 희소하고 비싼 자원입니다. L2 확장은 이 문제의 최선의 해결책으로 여겨지며, 최근 몇 년 동안 많은 프로젝트가 이 분야에 진입했으며, 그 중 대부분은 롤업입니다. 그러나 엄밀한 의미에서 롤업(데이터가 이더리움 L1에 위치함)은 이더리움의 무한 확장을 실현할 수 없으며, 초당 처리할 수 있는 거래 수에는 한계가 있습니다.

먼저, 두 가지 개념을 이해해 보세요:

신뢰 최소화: L2 시스템의 기능이 기본 L1 외부의 부분을 신뢰할 필요가 없다면, 이 시스템(의 기능)은 신뢰 최소화입니다.

수평 확장: 전역 병목 현상 없이 인스턴스를 추가할 수 있다면, 시스템은 수평적으로 확장 가능하다고 할 수 있습니다.

이 글에서는 신뢰 최소화 및 수평 확장 가능한 시스템이 블록체인 애플리케이션을 확장하는 가장 유망한 방법이라고 생각하지만, 이 방향은 현재 충분히 탐색되지 않았습니다. 우리는 세 가지 질문을 통해 주장을 도출합니다:

왜 애플리케이션은 신뢰 최소화해야 하는가?

왜 수평 확장 가능한 시스템을 구축해야 하는가?

우리는 어떻게 신뢰 최소화와 수평 확장성을 강화할 수 있는가?

성명: 본 문서는 이더리움을 기본 L1으로 중점적으로 다루지만, 여기서 논의되는 대부분의 내용은 이더리움 외부의 다른 분산 결제 레이어에도 적용됩니다.

왜 애플리케이션은 신뢰 최소화해야 하는가?

애플리케이션은 이더리움에 신뢰할 수 있는 방식으로 연결될 수 있으며, 이더리움 블록체인上的 데이터를 읽고 쓸 수 있지만, 신뢰가 필요한 부분은 비즈니스 로직이 올바르게 실행되는 것입니다. 바이낸스와 코인베이스와 같은 중앙화 거래소는 신뢰할 수 있는 애플리케이션의 훌륭한 예입니다. 이더리움에 연결된다는 것은 애플리케이션이 다양한 자산을 가진 글로벌 결제 네트워크를 활용할 수 있음을 의미합니다.

신뢰할 수 있는 오프체인 서비스는 중대한 위험이 존재합니다. 2022년 주요 거래소 및 서비스 제공업체의 붕괴(예: FTX 및 Celsius)는 신뢰할 수 있는 서비스가 부적절하게 행동하고 실패할 때 발생할 수 있는 일을 잘 보여주는 경고 이야기입니다.

반면, 신뢰 최소화 애플리케이션은 이더리움에 대해 검증 가능한 방식으로 데이터를 읽고 쓸 수 있습니다. 예를 들어 Uniswap과 같은 스마트 계약 애플리케이션, Arbitrum 또는 zkSync와 같은 롤업, Lagrange 및 Axiom과 같은 협력 프로세서가 있습니다. 일반적으로 애플리케이션이 이더리움 네트워크의 보호를 받으며 더 많은 기능이 L1에 할당됨에 따라 신뢰는 제거됩니다. 따라서 거래 상대방이나 수탁자 위험 없이 신뢰 최소화 금융 서비스를 제공할 수 있습니다.

기능을 L1에 아웃소싱함으로써 애플리케이션과 서비스는 세 가지 핵심 속성을 얻을 수 있습니다:

활성(및 정렬): 사용자가 제출한 거래는 적시에 포함되어야 합니다(실행 및 결제).

유효성: 거래는 미리 지정된 규칙에 따라 처리됩니다.

데이터(및 상태) 가용성: 사용자는 역사적 데이터와 현재 애플리케이션 상태에 접근할 수 있습니다.

위의 각 속성에 대해 어떤 신뢰 가정이 필요한지 생각해 볼 수 있습니다. 특히, 이더리움 L1이 해당 속성을 제공하는지 또는 외부 신뢰가 필요한지에 대해 말입니다. 아래 표는 다양한 아키텍처 예제에 대해 분류하였습니다.

왜 수평 확장 가능한 시스템을 구축해야 하는가?

수평 확장은 시스템에 독립적이거나 병렬 인스턴스를 추가하여 확장하는 것을 의미합니다. 예를 들어 애플리케이션이나 롤업이 이에 해당합니다. 이는 시스템에 전역 병목 현상이 없어야 함을 요구합니다. 수평 확장은 시스템의 처리량을 기하급수적으로 증가시킬 수 있습니다.

수직 확장은 전체 시스템(예: 이더리움 L1 또는 데이터 가용성 레이어)의 처리량을 증가시켜 확장하는 것을 의미합니다. 수평 확장이 공유 자원과 같은 병목 현상에 직면할 때, 일반적으로 수직 확장이 필요합니다.

성명 1: 롤업은 데이터 가용성(DA)의 병목 현상에 직면할 수 있기 때문에 수평 확장이 불가능합니다. 수직 확장 DA 솔루션은 분산화 측면에서 타협이 필요합니다.

데이터 가용성(DA)은 여전히 롤업의 병목 현상입니다. 현재 각 L1 블록의 최대 용량 목표는 1MB(85KB/s)입니다. 장기적으로 EIP-4844는 약 2MB(171KB/s)의 추가 가용 공간을 제공할 것입니다. Danksharding을 통해 이더리움 L1은 궁극적으로 최대 1.3MB/s의 DA 대역폭을 지원할 수 있습니다. 이더리움 L1 DA는 많은 애플리케이션과 서비스가 공동으로 경쟁하는 자원입니다. 따라서 L1을 DA로 사용하는 것은 최상의 보안을 제공하지만, 시스템의 잠재적 확장성의 병목 현상이 될 수 있습니다. L1을 DA로 사용하는 시스템은(일반적으로) 수평 확장이 불가능하며, 규모의 비경제성이 존재합니다. Celestia 또는 EigenDA와 같은 대체 DA 레이어도 대역폭 제한이 있습니다(각각 6.67MB/s 및 15MB/s로 더 크지만). 그러나 이는 신뢰 가정을 이더리움에서 다른(일반적으로 덜 분산된) 네트워크로 전환하는 대가로, 보안을 손상시킵니다.

성명 2: 신뢰 최소화 서비스를 수평 확장하는 유일한 방법은 각 거래의 한계 L1 데이터가 0에 가까워지도록 하는 것입니다. 알려진 두 가지 방법은 상태 차이 롤업(SDR)과 validium입니다.

상태 차이 롤업(SDR)은 거래 집합의 상태 차이를 이더리움 L1에 게시하는 롤업입니다. EVM의 경우 거래 배치가 커짐에 따라 L1에 게시되는 각 거래 데이터는 롤업의 거래 데이터보다 훨씬 작은 상수에 가까워집니다.

예를 들어, 대량의 인스크립션이 유입되는 스트레스 테스트 이벤트에서 zkSync는 각 거래의 calldata를 10바이트로 줄였습니다. 반면, 정상 트래픽의 경우 Arbitrum, Optimism 및 Polygon zkEVM과 같은 롤업은 각 거래당 약 100바이트입니다.

validium은 관련 거래 데이터나 상태 없이 상태 전환의 유효성 증명을 이더리움에 게시하는 시스템입니다. 낮은 트래픽 조건에서도 Validium은 높은 수평 확장성을 가지고 있습니다. 또한 서로 다른 validium은 결제 레이어를 공유할 수 있습니다.

수평 확장성 외에도 validium은 체인 상의 프라이버시를 제공할 수 있습니다(공공 관찰자로부터). 프라이버시 DA를 가진 validium은 중앙화되고 제한된 데이터 및 상태 가용성을 가지고 있으며, 이는 사용자가 데이터에 접근하기 전에 인증을 받아야 함을 의미하며, 운영자는 좋은 프라이버시 조치를 시행할 수 있습니다. 이는 전통적인 네트워크나 금융 서비스와 유사한 사용자 경험을 제공합니다: 사용자 활동은 공공의 감시를 받지 않지만, 신뢰해야 할 사용자 데이터 호스팅자가 존재하며, 이 경우 validium 운영자입니다.

중앙화된 정렬기와 분산화된 정렬기는 어떻게 될까요? 시스템의 수평 확장성을 유지하기 위해 독립 정렬기(중앙화된 정렬기든 분산화된 정렬기든)가 필수적입니다. 주목할 점은 공유 정렬기를 사용하는 시스템이 원자성 조합성을 가지지만, 더 많은 시스템을 추가함에 따라 정렬기가 병목 현상이 될 수 있기 때문에 수평 확장할 수 없다는 것입니다.

상호 운용성은 어떨까요? 수평 확장 가능한 시스템이 동일한 L1 결제에서 운영된다면, 추가 신뢰 없이 상호 운용성을 실현할 수 있습니다. 메시지는 공유 결제 레이어를 통해 한 시스템에서 다른 시스템으로 전송될 수 있습니다. 운영 비용과 메시지 전송 지연 사이에는 균형을 맞춰야 합니다(이는 애플리케이션 레이어에서 해결할 수 있습니다).

수평 확장 시스템의 신뢰 최소화

우리는 수평 확장 시스템에서 활성, 정렬기 및 데이터 가용성에 대한 신뢰 요구 사항을 더 최소화할 수 있을까요?

주목할 점은 수평 확장성을 희생하면서도 신뢰 없는 활성성과 데이터 가용성을 구할 수 있는 방법을 알고 있다는 것입니다. 예를 들어, L2 거래는 포함을 보장하기 위해 L1에서 시작될 수 있습니다. Volition은 사용자가 선택적으로 L1 상태 가용성을 선택할 수 있도록 할 수 있습니다.

또 다른 해결책은 단순히 분산화하는 것입니다(하지만 L1에 의존하지 않음). Espresso Systems 또는 Astria와 같은 분산 정렬기를 사용함으로써 단일 정렬기를 사용하는 대신 시스템은 더욱 분산화되어 활성, 정렬 및 데이터 가용성에 필요한 신뢰를 최소화할 수 있습니다. 단일 운영자의 솔루션과 비교할 때, 이렇게 하는 데는 한계가 있습니다: (1) 성능은 분산 시스템 성능의 제한을 받을 수 있으며, (2) 프라이버시 DA를 가진 validium의 경우, 분산 정렬기 네트워크가 허가되지 않은 경우 기본 프라이버시 보호가 손실됩니다.

단일 운영자 validium 또는 SDR에 대해 우리는 얼마나 많은 신뢰 의존성을 줄일 수 있을까요? 여기 몇 가지 방향이 있습니다.

방향 1: validium에서 신뢰 최소화된 데이터 가용성. Plasma는 어느 정도 상태 가용성 문제를 해결했으며, 특정 상태 모델(UTXO 상태 모델 포함)의 인출 문제를 해결하거나 사용자가 정기적으로 온라인 상태여야 합니다(Plasma Free).

방향 2: SDR 및 validium에서의 책임 있는 사전 확인. 여기서 목표는 사용자가 정렬기에 포함된 거래에 대한 빠른 사전 확인을 제공하는 것이며, 포함 약속이 이행되지 않을 경우 사용자가 도전하고 정렬기에 대한 지분 처벌을 시행할 수 있어야 합니다. 여기서의 도전은 거래가 포함되지 않았음을 증명하는 것이며, 이는 사용자가 추가 데이터를 제공해야 할 수 있으며, 정렬기는 이러한 데이터를 간단히 보유할 수 있습니다. 따라서 우리는 최소한 SDR 또는 validium이 그들의 전체 calldata 또는 거래 기록을 위해 데이터 가용성 위원회를 고용해야 한다고 합리적으로 가정할 수 있습니다. 이 위원회는 사용자 요청에 따라 포함되지 않은(사전 확인된 거래)의 증명을 제공할 수 있습니다.

방향 3: 활성 장애에서 빠르게 복구하기. 단일 운영자 시스템은 활성 장애(예: Arbitrum이 인스크립션 이벤트 동안 다운됨)에 직면할 수 있습니다. 우리는 유사한 상황에서 서비스 중단이 없는 시스템을 설계할 수 있을까요? 어떤 의미에서, 자가 정렬 및 상태 제안을 허용하는 L2는 실제로 장기 활성 장애를 방지하는 보장을 제공합니다. 단기 활성 장애에 더 탄력적인 단일 운영자 시스템은 현재 충분히 탐색되지 않았습니다. 여기서의 잠재적 해결책 중 하나는 활성 장애에 대한 책임을 추궁하는 것입니다. 또 다른 가능성은 단순히 인수 이전의 지연 기간을 줄이는 것입니다(현재 약 일주일로 설정됨).

결론

신뢰 최소화를 유지하면서 글로벌 결제 원장을 확장하는 것은 어려운 문제입니다. 현재의 롤업 및 데이터 가용성 분야에서는 수직 확장과 수평 확장 간의 명확한 구분이 없습니다. 신뢰 최소화 시스템을 지구상의 모든 곳으로 진정으로 확장하기 위해서는 신뢰 최소화 및 수평 확장 가능한 시스템을 구축해야 합니다.

Vitalik Buterin과 Terry Chung의 피드백 및 논의, 그리고 Diana Biggs의 편집 코멘트에 깊이 감사드립니다.